尾翼板對(duì)輪式兩棲車輛航行阻力特性影響的研究

彭 錕， 劉 影

(北京理工大學(xué) 機(jī)械與車輛學(xué)院，北京 100081)

尾翼板對(duì)輪式兩棲車輛航行阻力特性影響的研究

彭 錕， 劉 影

(北京理工大學(xué) 機(jī)械與車輛學(xué)院，北京 100081)

針對(duì)某輪式兩棲車輛，采用k-ω湍流模型和Level Set多相流處理方法對(duì)兩棲車體繞流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬．通過與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比，驗(yàn)證了數(shù)值方法的可行性，并對(duì)比了基礎(chǔ)車型與加裝尾翼板和防浪板的車型在不同工況下的航行阻力特性．研究結(jié)果表明：對(duì)于輪式兩棲車輛，尾翼板減阻與Fr密切相關(guān)．當(dāng)Fr<2.087時(shí)，加裝尾翼板能夠起到較好的減阻效果；當(dāng)Fr>2.087時(shí)，加裝尾翼板反而起到增阻作用，此時(shí)需收起尾翼板．

輪式兩棲車輛; 數(shù)值計(jì)算; 尾翼板; 阻力特性

輪式兩棲車輛具有水上航速快、重量輕及操控靈活的特點(diǎn)，其發(fā)展受到各國的熱切關(guān)注．2005年以來，英、美兩國各自推出了多種航速超過45 km/h的輪式兩棲車輛，促動(dòng)了各國對(duì)新一代高速輪式兩棲車輛的研制熱潮[1]．

輪式兩棲車輛水上航速問題一直是備受關(guān)注的研究焦點(diǎn)之一，有效的減小輪式兩棲車輛水上航行阻力是研究中的一大難題[2]．目前應(yīng)用的分析方法，基本上是參考船舶設(shè)計(jì)中的拖模試驗(yàn)方法[3]．該方法雖然可靠性強(qiáng)，但成本高、周期長．隨著CFD技術(shù)的不斷發(fā)展，一些學(xué)者基于CFD技術(shù)對(duì)兩棲車輛水上減阻進(jìn)行了研究．韓占忠[4]等人針對(duì)不同方案防浪板對(duì)兩棲車輛減阻作用進(jìn)行了數(shù)值研究；劉勇[5]等人針對(duì)不同航行傾角對(duì)兩棲車輛阻力進(jìn)行了數(shù)值分析；陶磊[6]對(duì)加裝后翼板的履帶式兩棲車輛進(jìn)行了研究，并指出加裝后翼板對(duì)履帶式兩棲車輛有較好的減阻效果．與履帶式兩棲車輛相比，輪式兩棲車輛重量輕、航行速度范圍廣導(dǎo)致了兩者水上航行阻力特性差異較大．并且，針對(duì)輪式兩棲車輛，尾翼板對(duì)其航行阻力特性的影響還尚未研究，目前輪式兩棲車輛正是發(fā)展的熱點(diǎn)，因此有必要針對(duì)加裝尾翼板的輪式兩棲車輛進(jìn)行深入研究．

1 幾何模型

針對(duì)某輪式兩棲車輛模型(簡(jiǎn)稱基礎(chǔ)車型)，為減小其陸上行走機(jī)構(gòu)帶來的水上航行阻力，建模時(shí)將行走機(jī)構(gòu)收起，將車體底面視為平滑表面[7]．然后分別加裝單塊尾翼板和雙塊尾翼板，其中兩種尾翼板的體積相同以保證兩者在靜水中產(chǎn)生的浮力相同．再配合相同的防浪板，結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)3種模型進(jìn)行數(shù)值仿真研究．其中，防浪板的長度約為車長的0.4倍，與車體底部夾角15°，寬度與車寬相同；單塊尾翼板弦長約為車長的0.09倍，雙塊尾翼板弦長約為車長的0.107倍，其寬度均與車寬相同．外形示意圖列于圖1中．

圖1 車體外形示意圖

2 數(shù)值計(jì)算方法

2.1 無量綱參數(shù)定義

將數(shù)值計(jì)算所求出的阻力換算成相應(yīng)的阻力系數(shù)，阻力系數(shù)定義如下.

(1)

式中：F為車體航行阻力；ρ為水的密度；ν為車體的航速；V為車體靜水狀態(tài)下排水體積．

將速度換算成相應(yīng)的Fr，F(xiàn)r定義如下.

(2)

式中：ν為車體的航速；g為重力加速度；V為車體靜水狀態(tài)下排水體積．

2.2 網(wǎng)格劃分

兩棲車輛外形較為復(fù)雜，采用混合網(wǎng)格劃分方法．如圖2所示，近車域部分采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，選用貼體性較好的Delaunay方法，對(duì)車體附近進(jìn)行加密，然后對(duì)防浪板、車底、尾翼板進(jìn)行再加密．遠(yuǎn)車域部分采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，前部距車體大約3個(gè)車長，后部距車體大約5個(gè)車長，然后對(duì)水線附近以及車體附近進(jìn)行加密．

圖2 近車域、遠(yuǎn)車域網(wǎng)格圖

考慮到兩棲車輛在航行過程中的對(duì)稱性，為節(jié)約計(jì)算資源，采用一半幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分．圖3列出了網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證曲線圖．

圖3 網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證曲線圖

由圖3(a)可知網(wǎng)格數(shù)在60萬及以上時(shí)阻力系數(shù)變化不大；由圖3(b)可知網(wǎng)格數(shù)在140萬及以上時(shí)水阻力占總阻力百分比變化不大．因此網(wǎng)格數(shù)至少需要140萬才能保證數(shù)值計(jì)算的精度．文中選用于數(shù)值計(jì)算的網(wǎng)格數(shù)約為160萬．

2.3邊界條件

計(jì)算區(qū)域的邊界包括：入口、出口、壁面和對(duì)稱面．入口采用速度邊界條件，根據(jù)車體航行速度設(shè)置速度大?。怀隹诙x為opening邊界，并通過自定義函數(shù)設(shè)置其壓力場(chǎng)分布；車體表面定義為不可滑移壁面；車體縱剖面的延展面定義為對(duì)稱面．

2.4 車體姿態(tài)調(diào)整策略

文中數(shù)值計(jì)算方法基于定常結(jié)果，因此在不同的給定速度條件下兩棲車輛的航行姿態(tài)是固定的．基于這一點(diǎn)，在姿態(tài)調(diào)整過程中，滿足力系平衡原則，即車體重力與受到的升力相等，外力對(duì)重心的合力矩為零，對(duì)車體姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整．

在實(shí)際過程中，由于推進(jìn)泵的作用，推進(jìn)力會(huì)對(duì)車體重心產(chǎn)生一個(gè)力矩．文中車型推進(jìn)力對(duì)重心的力臂約為0.6 m，因此推進(jìn)力對(duì)重心的力矩是不容忽略的．為與試驗(yàn)一致，文中數(shù)值計(jì)算方法考慮了推進(jìn)力對(duì)重心的力矩的影響，即在數(shù)值計(jì)算中計(jì)算總力矩時(shí)，首先監(jiān)測(cè)原始力矩(原始力矩并未考慮推進(jìn)力對(duì)重心的力矩)和阻力，根據(jù)阻力大小換算出推進(jìn)力大小，計(jì)算得推進(jìn)力對(duì)重心的力矩，推進(jìn)力對(duì)重心的力矩與原始力矩之和即為總力矩．

2.5 湍流模型

選用k-ω湍流模型[8]．此模型求解了兩個(gè)運(yùn)輸方程，一個(gè)關(guān)于湍動(dòng)能k，另一個(gè)關(guān)于湍流頻率ω．

k方程：

Pk-β′ρkω+Pkb,

(3)

ω方程：

(4)

式中：β′=0.09，α=5/9，β=0.075，σk=2，σω=2．密度ρ和速度矢量U為已知量；Pk是湍流產(chǎn)生速率。為了避免滯止區(qū)中湍動(dòng)能的增強(qiáng)，引入了兩個(gè)限定量Pkb和Pωb．

(5)

2.6 多相流模型

選用Level Set方法[9]．Level Set方法是近來發(fā)展起來的一種計(jì)算多相流方法，兩棲車輛在水中航行時(shí)是典型的兩相流動(dòng)問題，因此，流體物性借助Level Set函數(shù)Ф和Heaviside函數(shù)H，可用下述方程.

ρS(x)=ρ1+(ρ2-ρ1)HS(φ(x))，

(6)

μS(x)=μ1+(μ2-μ1)HS(φ(x)).

(7)

式中：ρS表示流體密度；μS表示流體粘度．

Heaviside函數(shù)H定義為

HS(d)=

(8)

式中：ε是一個(gè)小量規(guī)整參數(shù)，總為正；d表示計(jì)算區(qū)域中的點(diǎn)與相界面的垂直距離．

借助Level Set函數(shù)Ф，相界面的內(nèi)在集合特性參數(shù)可被確定如下，法向向量

(9)

界面曲率

(10)

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 數(shù)值方法驗(yàn)證

基于孫麗光[10]等人對(duì)兩棲車輛基礎(chǔ)模型進(jìn)行的拖模試驗(yàn)研究，將本文數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，并將結(jié)果列于圖4中．對(duì)比圖4中的兩條曲線可知，兩者誤差均在5%以內(nèi)．由此可見，數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，這說明本文采用的數(shù)值計(jì)算方法正確可靠．

圖4 不同F(xiàn)r時(shí)試驗(yàn)與數(shù)值計(jì)算阻力系數(shù)曲線圖

3.2 尾翼板對(duì)兩棲車輛航行傾角的影響

由圖5可知，加裝尾翼板能夠有效的減小車體傾角值．當(dāng)Fr=1.5時(shí)，單塊尾翼板車型車體傾角約為3°，較基礎(chǔ)車型相比要減小80.86%左右．由圖5還可知，隨著Fr的增加，單塊尾翼板車型車體傾角由3.1°減小到0.15°，變化量為2.75°，可見單塊尾翼板車型能夠較好的適合于兩棲車輛的航行駕駛；雙塊尾翼板車型車體傾角由5.5°減小到2.54°，變化量為2.96°，可見雙塊尾翼板車型效果略次之；相比之下，基礎(chǔ)車型車體傾角由16.2°減小到8.16°，變化量為8.04°，可見基礎(chǔ)車型不能夠有效的適合于兩棲車輛的航行駕駛．

圖5 不同F(xiàn)r時(shí)不同方案車體傾角曲線對(duì)比圖

表1列出了不同尾翼板在不同速度下產(chǎn)生的升力占車重百分比．由表1可知，尾翼板均能夠產(chǎn)生較大升力，且單塊尾翼板產(chǎn)生的升力較雙塊尾翼板大．因此,尾翼板產(chǎn)生的升力對(duì)車體重心產(chǎn)生一個(gè)首傾的力矩，使車體的傾角減小，并且單塊尾翼板車型車體傾角比雙塊尾翼板車型更小．

表1 不同F(xiàn)r時(shí)尾翼板產(chǎn)生升力占車重百分比

3.3 尾翼板對(duì)兩棲車輛航行阻力的影響

圖6中列出了不同F(xiàn)r下3種車型的阻力變化曲線，對(duì)比圖6中各條曲線可知，3種方案的阻力變化大小可分為3個(gè)階段.

圖6 不同F(xiàn)r時(shí)不同方案阻力系數(shù)曲線圖

1)當(dāng)Fr<2.087時(shí)，加裝尾翼板有較好的減阻效果，且單塊尾翼板車型減阻效果更好；

2)當(dāng)2.087

3)當(dāng)2.347

根據(jù)有限寬平板滑行原理[11]，流體相對(duì)于平板的沖角越小，其受阻力越小，升力越?。畠蓷囕v航行姿態(tài)主要受兩個(gè)參數(shù)影響：航行傾角及車體升沉，并且，車體升沉?xí)绊戃圀w的濕面積大?。魞H考慮航行傾角因素，車體傾角越小，其受阻力越?。蝗魞H考慮車體升沉因素，車體傾角越小，車體所受升力越小，升力對(duì)車體的抬升作用越小，車體濕面積越大，其粘性阻力越大．因此，傾角對(duì)兩棲車輛水上航行阻力有著雙重影響．

圖7 不同F(xiàn)r時(shí)車體水線圖

圖7中列出了3種車型在3個(gè)階段中典型的水線圖．圖8和圖9分別列出了3種車型的車體及尾翼板阻力系數(shù)隨Fr變化曲線．

圖7(a)中列出了階段一中Fr=1.461時(shí)，由車體水線圖可知，此速度下基礎(chǔ)車型傾角較大，其升力僅由車體提供；加裝尾翼板的車型車體傾角較小，其升力由車體與尾翼板共同提供，尾翼板產(chǎn)生的升力對(duì)車體抬升作用補(bǔ)償了車體小傾角對(duì)車體抬升作用的不足，因此,3種方案在此速度下車體濕面積差異不大．基礎(chǔ)車型傾角最大，阻力值最大；單塊尾翼板車型車體傾角較雙塊尾翼板車型小，因此單塊尾翼板車型阻力更?。?/p>

圖7(b)中列出了階段二中Fr=2.347時(shí)，由車體水線圖可知，此速度下基礎(chǔ)車型濕面積已明顯小于加裝尾翼板的車型．雖然基礎(chǔ)車型航行傾角此時(shí)仍然最大，但其與加裝尾翼板的車型傾角差值較階段一要大大減?。虼嘶A(chǔ)車型濕面積減小帶來的減阻效果補(bǔ)償了車體大傾角帶來的增阻效果．由圖8可知，此速度下3種方案車體阻力值相差不大，但由圖9可知，尾翼板自身會(huì)產(chǎn)生一定的阻力，因此階段二中基礎(chǔ)車型阻力最小．

圖7(c)中列出了階段3中Fr=2.608時(shí)，由車體水線圖可知，基礎(chǔ)車型較階段二濕面積繼續(xù)減小，基礎(chǔ)車型阻力值最??；雙塊尾翼板車型濕面積較單塊尾翼板車型明顯要小，且兩者車體傾角差距不大，因此雙塊尾翼板車型車體阻力較單塊尾翼板車型要略小．由圖9可知，此速度下雙塊尾翼板產(chǎn)生的阻力比單塊尾翼板產(chǎn)生的阻力也略小，因此雙塊尾翼板車型阻力值較單塊尾翼板車型要略?。?/p>

對(duì)比3個(gè)階段3種車型的阻力系數(shù)可知，當(dāng)Fr<2.087時(shí)，基礎(chǔ)車型尚未進(jìn)入滑水階段，車體濕面積、航行傾角均較大，而加裝尾翼板的車型中尾翼板提供的升力有效的抬升車體，減小了傾角，因此降低了車體阻力；當(dāng)Fr>2.087時(shí)，基礎(chǔ)車型進(jìn)入滑水階段，車體濕面積、航行傾角明顯減小，而加裝尾翼板的車型中尾翼板增加了濕面積帶來的阻力抵消了調(diào)整傾角減小的阻力，甚至隨著Fr增加，加裝尾翼板車型阻力大于基礎(chǔ)車型．單塊尾翼板較雙塊尾翼板產(chǎn)生了更大的升力，當(dāng)Fr<2.347時(shí)，單塊尾翼板車型中尾翼板提供的升力更有效的抬升車體，減小了傾角，因此阻力更小；當(dāng)Fr>2.347時(shí)，單塊尾翼板車型中尾翼板增加了濕面積帶來的阻力抵消了調(diào)整傾角減小的阻力，甚至隨著Fr增加，單塊尾翼板車型阻力大于雙塊尾翼板車型．

圖8 不同F(xiàn)r時(shí)不同方案車體部分阻力系數(shù)曲線圖

圖9 不同F(xiàn)r時(shí)不同方案尾翼板部分阻力系數(shù)曲線圖

4 結(jié) 論

1)加裝尾翼板能夠有效的減小車體航行傾角，能夠更好的適合于兩棲車輛的航行駕駛；

2)加裝尾翼板通過改變車體的航行姿態(tài)改變航行阻力的大?。贔r<2.087時(shí)，加裝尾翼板能夠起到較好的減阻效果；在Fr>2.087時(shí)，加裝尾翼板反而起到增阻效果．由于基礎(chǔ)車型阻力峰值出現(xiàn)在Fr<2.087，因此在此速度區(qū)間內(nèi)有必要加裝尾翼板；當(dāng)Fr>2.087時(shí)，建議收起尾翼板；

3)單塊尾翼板較雙塊尾翼板產(chǎn)生的升力更大，在加裝尾翼板的減阻速度區(qū)間內(nèi)，單塊尾翼板車型減阻效果更明顯，建議在Fr<2.087時(shí)加裝單塊尾翼板．

[1] 陳思忠，吳志成，楊林，等．輪式兩棲軍車高航速技術(shù)探討[J]．車輛與動(dòng)力技術(shù)，2009(2)：61-64.

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[3] 高富東，姜樂華，潘存云．基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)的兩棲車輛水動(dòng)力特性數(shù)值計(jì)算[J]．機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2009，45(5)：134-139.

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[5] 劉 勇，劉少軍，劉 質(zhì)，等．滑行式兩棲車輛最佳航行傾角的仿真分析[J]．計(jì)算機(jī)仿真，2011，28(10)：320-323.

[6] 陶 磊．兩棲車輛水上航行阻力特性分析及研究[D]．北京：北京理工大學(xué)，2005.

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[11] 居乃鵕．兩棲車輛水動(dòng)力學(xué)分析與仿真[M]．北京：兵器工業(yè)出版社，2005：106-108.

Influence of Empennage on Resistance Characteristics of a Wheeled Amphibious Vehicle

PENG Kun1， LIU Ying

(School of Mechanical Engineering and vehicle，Beijing Institute of Technology，Beijing 100081，china)

Numerical simulation of the flow fields around a wheeled amphibious vehicle is carried out by using thek-ωturbulence model and the Level Set method of multiphase model. Computational results are consistent with the experimental data. The function of its empennage on the vehicle is analyzed. The results show that the empennage can effectively reduce both the sailing angle of the vehicle and its sailing resistance whenFris less than 2.087, and that the empennage should be packed up whileFris greater than 2.087 because additional resistance is brought about to the amphibious vehicle.

Wheeled amphibious vehicle; Numerical simulation; Empennage; Resistance

1009-4687(2014)04-0015-05

2014-04-21

國家自然基金重點(diǎn)項(xiàng)目(51239005)和國家自然基金項(xiàng)目(51106009)

彭 錕(1989-)，男，碩士，研究方向?yàn)閮蓷囕v外形優(yōu)化.

U674.78

A